電工課程設計---函數(shù)信號發(fā)生器

1、<p>　　《電工與電子技術》課程設計</p><p>　　課題名稱 函數(shù)信號發(fā)生器 </p><p>　　學院(部) 汽車學院 </p><p><b>　　一、任務和要求</b></p><p>　　1、設計并制作能產(chǎn)生正弦波、矩形波（占空比

2、可調）和鋸齒波等多種信號的函數(shù)信號發(fā)生器。 </p><p>　　2、主要技術指標和要求</p><p>　?。?）輸出的各種信號波形工作頻率范圍10Hz~10kHz，連續(xù)可調。</p><p>　　（2）輸出的各種信號波形幅值0~10V，連續(xù)可調。</p><p><b>　　二、摘要</b></p>&

3、lt;p>　　在生產(chǎn)實踐中，廣泛的采用各種信號，就其波形來說，可能用到正弦波和非正弦波，相應的，就會用到不同的信號產(chǎn)生電路，而不同波形的信號，又會相互轉換。</p><p>　　信號發(fā)生器一般能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形的儀器，故可在設計時先在電路中產(chǎn)生一種信號，然后再通過波形變換使電路能輸出其它波形，故能設計許多電路來實現(xiàn)目的。在設計時，應考慮多種情況（如外界干擾、內(nèi)部因素）設計一種在現(xiàn)實

4、應用中性能良好，又廉價實用的方案。</p><p>　　本方案就是利用這種思想設計出的一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器。</p><p>　　三、總體設計方案選擇及論證</p><p><b>　　1．信號產(chǎn)生電路</b></p><p><b>　　〖方案一〗</b></p><p>

5、;　　由文氏電橋產(chǎn)生正弦振蕩，然后通過比較器得到方波，方波積分可得三角波。</p><p>　　這一方案為一開環(huán)電路，結構簡單，產(chǎn)生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對于三角波的產(chǎn)生則有一定的麻煩，因為題目要求有10倍的頻率覆蓋系數(shù)，然而對于積分器的輸入輸出關系為：</p><p>　　顯然對于10倍的頻率變化會有積分時間dt的10倍變化從而導致輸出電壓振幅的10倍變化。而這是電路所不希望

6、的。幅度穩(wěn)定性難以達到要求。而且通過仿真實驗會發(fā)現(xiàn)積分器極易產(chǎn)生失調。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　由矩形波產(chǎn)生電路產(chǎn)生矩形波，在通過積分電路把矩形波轉換為鋸齒波，再經(jīng)過差動放大電路將鋸齒波轉換為正弦波。</p><p>　　該電路的優(yōu)點是十分明顯的：</p><p>　　線性良好

7、、穩(wěn)定性好；</p><p>　　頻率易調，在幾個數(shù)量級的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時，幅度恒定不變；</p><p>　　不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；</p><p>　　三角波和方波在半周期內(nèi)是時間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。</p><p>　　綜合上述分析，我們采用了第二種

8、方案來產(chǎn)生信號。下面將分析討論對生成的三角波和方波變換為正弦波的方法。</p><p><b>　　2．信號變換電路</b></p><p>　　三角波變?yōu)檎也ǖ姆椒ㄓ卸喾N，但總的看來可以分為兩類：一種是通過濾波器進行“頻域” 處理，另一種則是通過非線性元件或電路作折線近似變換“時域”處理。具體有以下幾種方案：</p><p><b&g

9、t;　　〖方案一〗</b></p><p>　　采用米勒積分法。設三角波的峰值為，三角波的傅立葉級數(shù)展開：</p><p><b>　　通過線性積分后：</b></p><p>　　顯見濾波式的優(yōu)點是不太受輸入三角波電平變動的影響，其缺點是輸出正弦波幅度會隨頻率一起變化（隨頻率的升高而衰減），這對于我們要求的10倍的頻率覆蓋系數(shù)是不

10、合適的。另外我們在仿真時還發(fā)現(xiàn)，這種積分濾波電路存在這較明顯的失調，這種失調使輸出信號的直流電平不斷向某一方向變化。</p><p>　　積分濾波法的失調圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　而且輸出存在直流分量。</p><p><b>　　〖方案二〗</b></p><p>　　才用二極

11、管－電阻轉換網(wǎng)絡折線逼近法。十分明顯，用折線逼近正弦波時，如果增多折線的段數(shù)，則逼近的精度會增高，但是實際的二極管不是理想開關，存在導通閾值問題，故不可盲目的增加分段數(shù)；在所選的折線段數(shù)一定的情況下，轉折電的位置的選擇也影響逼近的精度。憑直觀可以判知，在正弦波變化較快的區(qū)段，轉折點應選擇的密一些；而變化緩慢的區(qū)段應選的稀疏一些。</p><p>　　二極管－電阻網(wǎng)絡折線逼近電路對于集成化來說是比較簡單，但要采用分

12、立元件打接則會用到數(shù)十個器件，而且為了達到較高的精度所有處于對稱位置的電阻和二極管的正向導通電阻都應匹配。實現(xiàn)起來不是很方便的。另外折線逼近電路的原理是應用電路傳輸?shù)姆蔷€性，故作用于變換電路的輸入信號的幅度必須是固定的。而且這個轉換網(wǎng)絡還有輸出阻抗高的缺點。</p><p>　　二極管－電阻轉換網(wǎng)絡圖</p><p><b>　　〖方案三〗</b></p>

13、<p>　　利用差分放大器的差模傳輸特性。設差放的集電極電流分別為和，輸入差模電壓為 ,發(fā)射極電流為,則晶體三極管工作在放大區(qū)時有：</p><p>　　由下圖的傳輸特性曲線我們可以想象當輸入為三角波時輸出會得到近似的正弦波。</p><p>　　差放差模傳輸特性曲線圖（Protel 99 SE SIM99仿真）</p><p>　　這種轉換方式比較

14、簡單，而且頻帶很寬。</p><p>　　四、設計方案的原理框圖、總體電路圖、接線圖及說明</p><p>　　單元電路設計、主要元器件選擇與電路參數(shù)計算</p><p><b>　　1．單元電路設計</b></p><p>　?。?）矩形波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖1&l

15、t;/b></p><p>　　如圖一所示，利用二極管的單向導電性使電容的充電與放電回路不同，使電容的充電與放電時間常數(shù)不相等，從而使矩形波的高電平持續(xù)時間與低電平持續(xù)時間不相等。</p><p>　　電源剛接通時，uo=+Uz，所以Up=R1Uz/(R+R1)=Kuz,電容C1充電，uc升高.當uc=Un≥Up時，uo=-Uz，所以Up=-R1Uz/(R+R1)=-KUz，電容C1

16、放電并反向充電，Uc下降。</p><p>　　當uo=Un≤Up時，uo=+Uz，電容C1充電，重復上述過程。</p><p>　　當輸出電壓為高電平時，二極管D1導通，D2截止，電容C1被充電，C1的充電常數(shù)為 </p><p>　　ζ1=（Rw+rd1+R）C1</p><p>　　當輸出電壓為低電平時，二極管D1截止，D2導

17、通，電容C1開始放電，C1的放電時間常數(shù)為</p><p>　　ζ2+（R總-Rw+rd2+R）C1</p><p><b>　　矩形波振蕩周期為</b></p><p>　　T1=(ζ1+ζ2)ln(1+2R1/R2)=(R總+rd1+rd2+2R)C1ln(1+2R1/R2)</p><p>　　調節(jié)電位器Rw滑動端

18、的位置，矩形波的周期不變，但占空比會發(fā)生變化。</p><p>　　由上式可知：R總、rd1、rd2、R為定值，因此可固定R1和C1的值，通過改變R2的阻值來改變矩形波的振蕩頻率。</p><p>　　計算：設定R總=20K、R=1K、C1=4uF、R1=1K</p><p>　　由于設計要求輸出的信號波形工作頻率范圍為10Hz~10kHz</p>&

19、lt;p>　　通過計算R2的阻值變化范圍應為1K~20M，連續(xù)可調。</p><p>　　（2）鋸齒波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　如圖2所示，若t=0，uc=0，uo1=+Uz，則電容C2充電；同時uo按線性逐漸下降，最終從+Uz跳變?yōu)?Uz。</p><p>　　在uo

20、1=-Uz后，電容C2開始放電，uo按線性上升，最終從-Uz跳變?yōu)?Uz，電容C2開始充電，如此周而復始，產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　積分器的輸出Uo2為 Uo2=-1/(R4+R5)C2∫Uo1dt (1)</p><p>　　Uo1=+12V時， Uo2=-12t/(R4+R5)C2 (2)</p&g

21、t;<p>　　Uo1=-12V時， Uo2=12t/(R4+R5)C2 (3)</p><p>　　可見積分器的輸入為矩形波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的鋸齒波。</p><p>　　頻率 f=R2/4R1(R4+R5)C2</p><p>　　計算：R4=5.1K、C2=3.5uF、R1=

22、1K</p><p>　　通過計算可得R5的阻值變化范圍應為0~35M</p><p>　?。?）正弦波發(fā)生電路</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　如圖3所示，鋸齒波到正弦波的變換電路主要由差動放大電路來完成。差動放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻值高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，

23、可以有效地抑制零點漂移。波形變換的原理是利用差動放大傳輸特性曲線的非線性。</p><p>　　分析表明，傳輸特性曲線的表達式為</p><p>　　Ic1=αIe1=αIo/(1+e</p><p>　　Ic2=αIe2=αIo/(1+e</p><p>　　式中 α=Ic/Ie≈1；</p><p>　　Io——

24、差動放大器的恒定電流；</p><p>　　Ut——溫度的電壓當量，當室溫為25℃時，Ut≈26mA。</p><p>　　又因為Uid為三角波，設表達式為</p><p>　　Uid=4Um(t-T/4)/T, 0≤t≤T/2</p><p>　　Uid=-4Um(t-3T/4)/T, T/2≤t≤T</p>&l

25、t;p>　　式中 Um——三角波幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　Ic1=αIo/(1+e 0≤t≤T/2</p><p>　　Ic2=αIo/(1+e

26、 T/2≤t≤T</p><p>　　2.設計方案的原理框圖</p><p>　　矩形波發(fā) 積分電路 差動放大電路</p><p><b>　　生電路</b></p><p><b>　　3.總體電路圖</b

27、></p><p><b>　　總體波形如下：</b></p><p>　　4.主要元器件的選擇</p><p>　　該電路主要由LM301集成運算放大器構成，這款運放具有較高的速度，雖然價格比LM324略高，但是性能是LM324所無法比擬的。其中兩個調節(jié)電位器采用多圈線繞電位器，可以達到令人滿意的調節(jié)效果。</p><

28、;p>　　五、收獲與體會、存在的問題</p><p><b>　　1．收獲與體會</b></p><p>　　通過這次課程設計使我對所需的三部分電路有了進一步的了解和認識，并且清楚了每一部分工作時所需要的條件，也對集成芯片有了初步的認識，雖然在設計中沒有使用復雜的芯片，不過還是了解到了像555、8038等芯片的基本知識。對于完成仿真的軟件，EWB沒有Multis

29、im功能強大，很多元器件都不齊全。這是第一次靠自己去查資料完成的任務，充分的利用了圖書館的資源，并且為以后更復雜的設計打下了基礎。</p><p><b>　　2．存在的問題</b></p><p>　　在設計中，對各元器件型號的選擇還很陌生，無法很順利地把書中所學電路知識靈活的運用到設計中，尤其是在仿真部分，設計進展的很緩慢。另外，在完成仿真電路時，無法處理由于元器

30、件參數(shù)問題引起的波形失真問題。對于參數(shù)大小及相互之間的關系掌握不夠完整，不夠全面。</p><p><b>　　六、參考文獻</b></p><p>　　1．《電路與模擬電子技術基礎.》 林濤 林薇 顧櫻華 編 2004年6月 科學出版社</p><p>　　2.《模擬電子技術基礎與應用實例》 戈素貞 杜群羊 吳海青 等編著 2007年2月 北

31、京航空航天大學出版社</p><p>　　3.《電子技術試驗與課程設計指導模擬電路分冊》 郭永貞 劉勤編 2004年10月 東南大學出版社</p><p>　　4.《模擬電子技術基礎 設計 仿真 編程與實踐》 李萬臣主編 2005年5月 哈爾濱工程大學出版社</p><p>　　5.《電子電路計算機仿真技術》 周常森編著 2001年9月 山東科學技術出版社</

32、p><p>　　6.《電子元器件選用·使用·檢測一本通》 孟貴華編著 2006年2月 中國電力出版社</p><p>　　7．謝沅清 解月珍 編 《通信電子電路》2000年2月 北京郵電出版社</p><p>　　8．梁恩主 梁恩維 著《Protel 99SE電路設計于仿真應用》2000年11月 清華大學出版社</p><p>

33、;　　9．劉志軍 編《電子測量與模擬電路實驗技術》2001年4月</p><p>　　10．《實用電子電路手冊（模擬電路分冊）》編寫組編 《實用電子電路手冊（模擬電路分冊）》1991年10月高等教育出版社</p><p>　　11．Protel World Wide Web Site http://www.protel.com </p><p>　　12．Nati